变频器恒压供水泵一拖四控制系统安装调试毕业设计

PAGE47目录第一部分设计任务与调研 11.1课题提出的背景 11.2课题研究的目的和意义 11.3国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析 31.4设计主要内容 4第二部分设计说明 62.1供水系统简介 62.2恒压供水基本原理 62.3恒压供水的优点 82.4变频恒压供水系统硬件结构 92.5S7-300系列PLC简介 112.6变频器的介绍 162.7传感器 182.8系统设计 202.9程序设计 222.10PID设计 27第三部分设计成果 313.2PLC程序梯形图 33第四部分总结 454.1全文总结 454.2研究展望 45第五部分致谢 47第六部分参考文献48第一部分设计任务与调研设计任务提出的背景 随着社会经济的飞速发展，城市建设规模的不断扩大，人口的增多以及人们生活水平的不断提高，对城市供水的数量、质量、稳定性提出了越来越高的要求。而我们国家是个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、小区供水，尤其县城、乡镇供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低。而其中的老水厂自动控制系统配置相对落后，机组的控制主要依赖值班人员的手工操作。控制过程繁琐，而且手动控制无法对供水管网的压力和水位变化及时做出恰当的反应。在用水高峰期，水的供给量常常低于需求量，出现水压降低供不应求的现象。传统的解决办法是采用高位水箱、水塔和各种气压罐进行蓄水加压，依赖挡板和阀门的阻力调节水流量。这种靠水的势能或气压供水方式具有占地面积大、投资高、水泵电机启动频繁、耗电多、管网水压不稳、爆管现象频繁、漏失严重等缺点；不仅生活用水容易受到二次污染，而且水泵电机的频繁开启使设备故障率高，检修、维护也存在困难，而且像水塔这样传统的供水系统，在维护和升级系统方面，是非常昂贵的。因此，如何利用有效的水源和电能保证各行各业正常供水，己是迫在眉睫。同时随着现代电力电子技术、交流变频调速技术、信息技术、计算机技术和智能控制技术的迅速发展并日趋完善，变频调速技术在供水领域得以运用，实现了水泵电机无级调速，能够极大地改善给水管网的供水环境。所有这些现代自动化控制技术的发展与应用，无疑为现代化高性能的生活供水提供了可能。利用PLC控制技术和变频调速技术开发的全自动恒供水系统,管道内水压恒定,既可以满足供水要求,避免出现供水事故,还可节约电能。课题研究的目的和意义众所周知，水是人类生活、生产中不可缺少的重要物质，在节水节能已成为时代特征的现实条件下，我们这个水资源和电能短缺的国家，长期以来在市政供水、高层建筑供水、工业生产循环供水等方面技术一直比较落后，自动化程度低，而随着我国社会经济的发展，人们生活水平的不断提高，以及住房制度改革的不断深入，城市中各类小区建设发展十分迅速，同时也对小区的基础设施建设提出了更高的要求。小区供水系统的建设是其中的一个重要方面，供水的可靠性、稳定性、经济性直接影响到小区住户的正常工作和生活，也直接体现了小区物业管理水平的高低。传统的小区供水方式有:恒速泵加压供水、水塔高位水箱供水、气压罐供水、液力藕合器和电池滑差离合器调速的供水方式、单片机变频调速供水系统等方式，其优、缺点如下：1、恒速泵加压供水方式无法对供水管网的压力做出及时的反应，水泵的增减都依赖人工进行手工操作，自动化程度低，而且为保证供水，机组常处于满负荷运行，不但效率低、耗电量大，而且在用水量较少时，管网长期处于超压运行状态，爆损现象严重，电机硬起动易产生水锤效应，破坏性大，目前较少采用。2、水塔高位水箱供水具有控制方式简单、运行经济合理、短时间维修或停电可不停水等优点，但存在基建投资大，占地面积大，维护不方便，水泵电机为硬起动，启动电流大等缺点，频繁起动易损坏联轴器，目前主要应用于高层建筑。3、气压罐供水具有体积小、技术简单、不受高度限制等特点，但此方式调节量小、水泵电机为硬起动且起动频繁，对电器设备要求较高、系统维护工作量大，而且为减少水泵起动次数，停泵压力往往比较高，致使水泵在低效段工作，而出水压力无谓的增高，也使浪费加大，从而限制了其发展。4、液力涡合器和电池滑差离合器调速的供水方式易漏油，发热需冷却，效率低，改造麻烦，只能是一对一驱动，需经常检修;优点是价格低廉，结构简单明了，维修方便。5、单片机变频调速供水系统也能做到变频调速，自动化程度要优于上面4种供水方式，但是系统开发周期比较长，对操作员的素质要求比较高，可靠性比较低，维修不方便，且不适用于恶劣的工业环境。综上所述，传统的供水方式普遍存在不同程度的浪费水力、电力资源;效率变频调速恒压供水技术其节能、安全、供水高品质等优点，在供水行业得到了广泛应用。恒压供水调速系统实现水泵电动机无级调速，依据用水量的变化（实际上为供水管网的压力变化）自动调节系统的运行参数，在用水量发生变化时保持水压恒定以满足用水要求，是当今先进、合理的节能型供水系统。在实际应用中如何充分利用变频器内置的各种功能，对合理设计变频器调速恒压供水设备，降低成本、保证产品质量等具有重要的现实意义。国内外在变频恒压供水系统研究现状及分析变频恒压供水系统的国内外研究现状变频恒压供水是在变频调速技术的发展之后逐渐发展起来的。早期，变频器的功能主要是应用在频率控制、升降速控制、正反转控制、起制动控制、及各种保护功能上。用在变频恒压供水系统中，变频器仅作为执行机构，为了满足需求不同时的供水量，保证管网压力恒定，需在变频器外部提供压力控制器和压力变送器，对压力进行闭环控制。随着变频技术的发展和变频恒压供水系统的稳定性、可靠性以及自动化程度高等方面的优点以及显著的节能效果被大家发现和认可后，国外许多生产变频器的厂家开始重视并推出具有恒压供水功能的变频器，像日本Samc0公司，就推出了恒压供水基板，备有“变频泵固定方式”，“变频泵循环方式”两种模式。它将PID调节器和PLC可编程控制器等硬件集成在变频器控制基板上，通过设置指令代码实现PLC和PID等电控系统的功能，只要搭载配套的恒压供水单元，便可直接控制多个内置的电磁接触器工作，可构成最多7台电机(泵)的供水系统。此类设备简化了电路结构，降低了设备成本，但其输出接口的扩展功能缺乏灵活性，系统的动态性能和稳定性能不高，与其它的监控系统和组态软件难以实现数据通信，并且限制了带负载的容量，在实际的应用中受到限制。目前国内有很多公司在做变频恒压供水的工程，多数采用国外的变频器控制水泵的转速，水管管网压力的闭环调节及多台水泵的循环控制，有的采用可编程控制器(PLC)及相应的软件予以实现，有的采用单片机及相应的软件予以实现。但在系统的动态性能、稳定性能、抗扰性能等多方面的综合技术指标方面，还未能达到所有用户的要求。艾默生电气公司和成都希望集团(森兰变频器)也推出了恒压供水专用变频器，无需外接PLC和PID调节器，可完成最多4台水泵的循环切换、定时起、停和定时循环。该变频器将压力闭环调节与循环逻辑控制功能集成在变频器内部实现，但其输出接口限制了带负载容量，同时操作不方便且不具有数据通信功能，因此只适用于小容量，控制要求不高的供水场所。可以看出，目前在国内外变频调速恒压供水控制系统的研究设计中，对于能适应。不同的用水场合，结合现代控制技术、网络和通讯技术的大功率变频恒压供水系统的水压闭环控制及监控研究的不够。因此，有待于进一步研究改善变频恒压供水系统的性能，使其能被更好的应用于生活、生产实践。可编程序控制器技术国内外发展现状世界上公认的第一台PLC是1969年美国数字设备公司（DEC）研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平，早期的PLC主要由分立元件和中小规模集成电路组成，可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器，使PLC增加了运算、数据传送及处理等功能，变成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了便于使用，可编程控制器采用梯形图作为主要编程语言，并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的PLC为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。20世纪70年代中末期，可编程控制器进入实用化发展阶段，计算机技术已全面引入可编程控制器中，使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、PID功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初，可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。此时它的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多，产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。20世纪末期，可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说，这个时期发展了大型机和超小型机；从控制能力上来说，诞生了各种各样的特殊功能单元，用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合；从产品的配套能力来说，生产了各种人机界面单元、通信单元，使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前，可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了PLC的应用。目前，我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的CF系列、杭州机床电器厂生产的DKK及D系列、大连组合机床研究所生产的S系列、苏州电子计算机厂生产的YZ系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外，无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的PLC生产厂家。设计主要内容变频恒压供水系统是利用变频器、PLC等器件的有机结合，构成控制系统，调节水泵的输出流量，取代水塔、水箱、气压罐等，实现恒压供水。通过对水泵的智能变频调速控制不仅能实现节能降耗，而且有利于实现供水的自动控制，远程监测，实现生产的自动化。对供水系统进行的控制，归根结底是为了满足用户对水的压力的需求。本设计的恒压供水系统是采用可编程序控制器进行逻辑控制,采用变频器进行压力调节。变频器、可编程序控制器作为系统控制的核心部件,时刻跟踪管网压力与给定压力的偏差变化,经PID运算,通过可编程序控制器控制变频与工频切换,自动控制水泵投入的台数和电机转速,实现闭环自动调节恒压变量供水,在保持恒压下达到控制流量的目的。对变频调速恒压供水系统的构成和工作过程、控制系统的硬件设计进行研究，通过使用德国SIEMENS公司的S7-300的硬件及其编程语言，做出控制用的相关程序。第二部分设计说明2.1供水系统简介自80年代初，全国各行业大力开展节能工作。自此，住房小区的给水系统已逐步取消了高位水箱，而采用变频调速恒压供水代替以前的重力供水、气压供水，克服了传统供水方法的缺点。这种供水方式既满足供水安全，又避免水质的二次污染。对于多层住宅来说，是一种比较完善的供水系统。在自动恒压供水系统中，由于管网是封闭的，泵站供水的流量是由用户实际用水量决定的。根据反馈原理:要维持一个物理量的数值大小恒定或者基本不变，就应该引入这个物理量跟该恒定值比较，形成闭环系统。因为在恒压供水系统中，我们要想保持的供水管网的压力恒定，因此就必须引入水压反馈值与给定的压力值比较，从而形成闭环系统。2.2恒压供水基本原理2.2.1恒压供水原理对供水系统进行控制，是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是系统的基本控制对象。但是，流量的大小取决于扬程，扬程难以进行具体测量和控制。考虑到在动态情况下，管道中水压的大小与供水能力和用水需求之间的平衡关系有关：供水能力QG>用水需求QU，则压力上升；供水能力QG<用水需求QU，则压力下降；供水能力QG=用水需求QU，则压力不变。可见，供水能力与用水需求之间的矛盾反映在流体压力的变化上。因此，压力可以用来作为控制流量大小的参变量。即保持供水系统中某处压力的恒定，也就保证了该处的供水能力和用水流量处于平衡状态，恰到好处地满足了用户所需的用水流量。2.2.2系统结构框图设计采用电动机调速装置与可编程控制器(PLC)构成控制系统，进行优化控制泵组的调速运行，并自动调整泵组的运行台数，完成供水压力的闭环控制，在管网流量变化时达到稳定供水压力和节约电能的目的。系统的控制目标是泵站总管的出水压力，系统设定的给水压力值与反馈的总管压力实际值进行比较，其差值输入经运算处理后，发出控制指令，控制泵电动机的投运台数和运行变量泵电动机的转速，从而达到给水总管压力稳定在设定的压力值上。恒压供水就是利用PID或PI功能实现的工业过程的闭环控制。即将压力控制点测的压力信号(4－20mA)直接输入到变频器中，由变频器将其与用户设定的压力值进行比较，并通过变频器内置PID运算将结果转换为频率调节信号调整水泵电机的电源频率，从而实现控制水泵转速。恒压供水泵站一般需要设多台水泵及电机，这比设单台水泵电机节能而可靠。配单台电机及水泵时，它们的功率必须足够大，在用水量少时来开一台大电机肯定是浪费的，电机选小了用水量大时供水量则相应的会不足。而且水泵与电机维修的时候，备用泵是必要的。而恒压供水的主要目标是保持管网水压的恒定，水泵电机的转速要跟随用水量的变化而变化的，那么这就是要用变频器为水泵电机供电。在此这里有两种配置方案，一种是为每一台水泵电机配一台相应的变频器，从解决问题方案这个比较简单和方便，电机与变频器间不须切换，但是从经费的角度来看的话这样比较昂贵。另一种方案则是数台电机配一台变频器，变频器与电机间可以切换的，供水运行时，一台水泵变频运行，其余的水泵工频运行，以满足不同的水量需求。

图2.1为恒压供水的系统构成框图。图中压力传感器用于检测管网中的水压，常装设在泵站的出水口。当用水量大时，水压降低；用水量小时，水压升高。水压传感器将水压的变化转变为电流或电压的变化送给调节器。图2.1系统结构框图调节器是一种电子装置，它具有设定水管水压的给定值、接受传感器送来得管网水压的实测值、根据给定值与实测值的综合依一定的调接规律发出的系统调接信号等功能。调节器的输出信号一般是模拟信号，4-20mA变化的电流信号或0-10V间变化的电压信号。信号的量值与前边的提到的差值成正比例，用于驱动执行器设备工作。在变频器恒压供水系统中，执行设备就是变频器。用PLC代替调节器，其控制性能和精度大大提高了，因此，PLC作为恒压供水系统的主要控制器，其主要任务就是代替调节器实现水压给定值与反馈值的综合与调节工作，实现数字PID调节；它还控制水泵的运行与切换，在多泵组恒压供水泵站中，为了使设备均匀的磨损，水泵及电机是轮换的工作。如规定和变频器相连接的泵为主泵(主泵也是轮流担任的)，主泵在运行时达到最高频时，须增加一台工频泵投入运行。PLC则是泵组管理的执行设备。PLC同时还是变频器的驱动控制。恒压供水泵站中变频器常常采用模拟量控制方式，这需采用PLC的模拟量控制模块，该模块的模拟量输入端子接受到传感器送来的模拟信号，输出端送出经给定值与反馈值比较并经PID处理后得出的模拟量信号，并依此信号的变化改变变频器的输出频率。另外，泵站的其他控制逻辑也由PLC承担，如：手动、自动操作转换，泵站的工作状态指示，泵站的工作异常的报警，系统的自检等等。2.3恒压供水的优点对供水系统进行的控制，归根到底是为了满足用户对流量的需求。所以，流量是供水系统的基本控制对象。而流量的大小又取决于扬程，但扬程难以进行具体测量和控制。考虑到动态情况下，管道中水压的大小与供水能力(供水流量)和用水需求(用水流量)之间的平衡情况关系有关，即供水能力大于用水需求时压力上升，供水能力小于用水需求时压力下降，当两者相等时压力不变。供水能力和用水需求之间的矛盾具体反映在水压的变化上。从而压力就成为用来作为控制流量大小的参变量。当供水系统中某处压力恒定时，供水与用水处于平衡状态，恰好满足用户所需的用水流量，恒压供水有以下优点：1）节能，可以实现节电20%-40%，能实现绿色用电。2.）占地面积小，投入少，效率高。3）配置灵活，自动化程度高，功能齐全，灵活可靠。4）运行合理，由于是软起和软停，不但可以消除水锤效应，而且电机轴上的平均扭矩和磨损减小，减少了维修量和维修费用，并且水泵的寿命大大提高。5）由于变频恒压调速直接从水源供水，减少了原有供水方式的二次污染，防止了很多传染疾病的传染源头。6）通过通信控制，可以实现无人值守，节约了人力物力。2.4变频恒压供水系统硬件结构系统的硬件原理图如图2.2所示。由图可知：该系统主要由压力传感器、差压变送器、变频器、PLC控制单元、水泵机组等组成。系统主要的设计任务是利用PLC控制单元使变频器控制一台水泵或循环控制多台水泵，实现管网水压的恒定和水泵电机的软启动以及变频水泵与工频水泵的切换，同时还要能对运行数据进行传输。图2.2系统硬件原理图系统可分为:执行机构、信号检测机构、控制机构三大部分，具体为:1)执行机构:执行机构是由三台水泵组成，它们用于将水供入用户管网。2)信号检测机构:在系统控制过程中，需要检测的信号包括水压信号、液位信号和报警信号。水压信号反映的是用户管网的水压值，它是恒压供水控制的主要反馈信号。此信号是模拟信号，读入PLC时，需进行A/D转换。另外为加强系统的可靠性，还需对供水的上限压力和下限压力用电接点压力表进行检测，检测结果可以送给PLC，作为数字量输入;液位信号反映水泵的进水水源是否充足。信号有效时，控制系统要对系统实施保护控制，以防止水泵空抽而损坏电机和水泵。此信号来自在安装于水源处的液位传感器;报警信号反映系统是否正常运行，水泵电机是否过载、变频器是否有异常，该信号为开关量信号。3)控制机构:供水控制系统一般安装在供水控制柜中，包括供水控制器(PLC系统)、变频器和电控设备三个部分。供水控制器是整个变频恒压供水控制系统的核心。供水控制器直接对系统中的压力、液位、报警信号进行采集，对来自人机接口和通讯接口的数据信息进行分析、实施控制算法，得出对执行机构的控制方案，通过变频调速器和接触器对执行机构(即水泵)进行控制;变频器是对水泵进行转速控制的单元，其跟踪供水控制器送来的控制信号改变调速泵的运行频率，完成对调速泵的转速控制。2.4.1恒压供水系统构成为保证供水压力恒定，系统采用压力闭环控制的方式。来自压力传感器的信号与压力设定信号比较，控制变频器的频率大小，从而控制电机的转速。水泵启动后，压力传感器向控制器提供控制点的压力值，当压力低于控制器设定的压力值时，控制器向变频调速装置发送提高水泵转速的控制信号，当压力高于设定压力值时，则发送降低水泵转速的控制信号，变频调速装置则依次调节水泵工作电源的频率，改变水泵的转速，以此构成以设定压力值为参数的恒压供水自动调节闭环控制系统。系统构成与设计变频恒压供水系统由控制柜，压力传感器，异步电动机及水泵组成，由此构成一个压力负反馈闭环控制系统。压力传感器将管道中的水压值变换成电信号(4~20mA)，送入系统内置数字PID控制器进行比较，其偏差值经控制运算后，去控制变频器的输出频率，通过上位机对当前压力信号的反应，再由PLC控制三台水泵电机在工频电网与变频器输出之间切换，改变三台水泵的运转状态和转速，实现压力调节。控制部分是以德国SIEMENS可编程序控制器S7-300为核心，实现信号采集，巡检综合判定，控制输出三个逻辑过程。电气部分包括对水泵电机，变频器的启动、停止，以及故障检测，指示灯的控制，S7-300据有丰富的指令系统，并且依托STEP7-V5.3良好的编程界面，很方便程序编制和现场调试。S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。传动装置用了富士变频器，适用于异步电机无级调速控制。该变频器的输出控制方式为恒压频比以及IGBT大功率晶体管模块。其优点之一是具有高的切换频率，可输出低谐波分量的正弦波，在低速时电机有更大的输出转矩，降低电机的损耗和噪音，减少了电机运行时的温升。变频器可将输出频率在控制范围内连续可调，控制精度为0.1Hz，从而达到电机依据负载的变化连续平滑调速，减轻了电机的运转抖动。由于变频调速实现异步电机软起动，降低电网的损耗提高了电机运行时的cosφ中，以致于可以省去为改善功率因数的电容补偿以及相应控制设备。传感器选用了设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。青岛奥斯特技术开发有限公司的HR-YTZ电阻远传压力表。外围设备选型外围设备主要包括执行设备，如水泵、接触器、按钮、选择开关、电流互感器等设备，由于外围设备种类较、型号较杂，且不是本设计的技术难点，故对其选型说明简述至此。2.5S7-300系列PLC简介2.5.1S7-300的概况S7-300属于模块式PLC，主要由机架、CPU模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信处理器、电源模块和编程设备组成。PLC采用循环执行用户程序的方式。OB1是用于循环处理的组织块（主程序），它可以调用别的逻辑块，或被中断程序（组织块）中断。在起动完成后，不断地循环调用OB1，在OB1中可以调用其它逻辑块(FB,SFB,FC或SFC)。循环程序处理过程可以被某些事件中断。在循环程序处理过程中，CPU并不直接访问I/O模块中的输入地址区和输出地址区，而是访问CPU内部的输入/输出过程映像区。批量输入、批量输出。S7-300PLC是模块式的PLC，本设计主要用得的有以下部分：（1）中央处理单元（CPU）各种CPU有不同的性能，例如有的CPU集成有数字量和模拟量输入/输出点，有的CPU集成有PROFIBUS-DP等通信接口。CPU前面板上有状态故障指示灯、模式开关、24V电源端子、电池盒与存储器模块盒。（3）信号模块（SM）信号模块是数字量输入/输出模块和模拟量输入/输出模块的总称，它们使不同的过程信号电压或电流与PLC内部的电信号电平匹配。信号模块主要有数字量输入模块SM321和数字量输出模块SM322，模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。模拟量输入模块可以输入热电阻、热电偶、DC4～20mA和DC0～10V等多种不同类型和不同量程的模拟信号。每个模块上有一个背板总线连接器，现场的过程连接到前连接起的端子上。本设计主要用到的是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。（4）功能模块（FM）功能模块主要用于对实时性和存储容量要求高的控制任务，例如计数器模块、快速/慢速进给驱动位置控制模块、电子凸轮控制器模块、步进电动机定位模块、伺服电动机定位模块、定位和连续路径控制模块、闭环控制模块、工业标识系统的接口模块、称重模块、位置输入模块、超声波位置解码器等。图2.3PLCI/O点及地址分配图PLC的接线如图附录B所示，根据控制系统的要求，控制系统应具备的输入/输出点数，名称及地址编号如下表2.1所示。表2.1I/O点及地址分配名称地址编码名称地址编码输入信号输出信号水位上限I0.01号水泵工频运行Q0.0水位下限I0.11号水泵变频运行Q0.1变频器报警I0.22号水泵工频运行Q0.2消铃按钮I0.32号水泵变频运行Q03试验按钮I0.43号水泵工频运行Q0.4变频器启动I0.4高低液位报警Q0.5变频器停止I0.5变频器报警Q0.6报警声Q0.72.5.2S7-300的模拟量输入/输出模块输入/输出模块统称为信号模块(SM)。包括数字量（或称开关量）输入模块、数字量输出模块、数字量输入/输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块和模拟量输入/输出模块。S7-300的输入/输出模块的外部接线接在插入式的前连接器的段子上，前连接器插在前盖后面的凹槽内。不需要断开前连接器上的外部接线，就可以迅速地更换模块。第一次插入连接器时，有一个编码元件与之啮合，这样该连接器就只能插入同样类型的模块中。本设计所用到的S7-300的模拟量I/O模块是模拟量输入模块SM331和模拟量输出模块SM332。本设计用到的SM331模块为4通道组8点输入，与传感器接线方式为四线制，输入为4—20mA电流信号。SM332模块为4通道组4点输出，分辨率为16位，支持同步模式，输出为4—20mA电流信号。在PID控制中，PLC采集到的实际值要与设定值进行比较，然而设定值为实际的工程量，而采集值为电流信号，无法进行比较，所以这里涉及到量程转换的问题，需要用到模块FC105与模块FC106，具体过程如下：压力变送器输出4—20mA电流信号到SM331模拟量输入模块，SM331模块将该信号转换成0—27648的整形数，然后在程序中要调用FC105将该值转换成0—10.0（MPa）的工程量（实数），经PID运算后得到的结果仍为实数，要用FC106转换为整形数0—27648后，经SM332模拟量输出模块输出4—20mA电流信号到变频器。图2.4FC105模块图其中，管脚的定义如下：IN模拟量模块的输入通道地址，在硬件组态时分配；HI_LIM现场信号的最大量程值；LO_LIM--现场信号的最小量程值；BIPOLAR—极性设置，如果现场信号为+10V~-10V（有极性信号），则设置为1，如果现场信号为4MA~20MA（无极性信号）；则设置为0；OUT现场信号值（带工程量单位）；信号类型是实数，所以要用MD200来存放；RET_VAL-FC105功能块的故障字，可存放在一个字里面。如：MW50；FC106是处理模拟量（1~5V、4~20MA等常规信号）输出的功能块，在中，打开Libraries\standardlibrary\Ti-S7ConvertingBlocks\fc106,将其调入OB1中，给各个管脚输入地址；如下图2.5：图2.5FC106模块图其中，管脚的定义如下：IN模拟量模块的输入通道地址，在硬件组态时分配；HI_LIM现场信号的最大量程值；LO_LIM--现场信号的最小量程值；BIPOLAR—极性设置，如果现场信号为+10V~-10V（有极性信号），则设置为1，如果现场信号为4MA~20MA（无极性信号）；则设置为0；OUT现场信号值（带工程量单位）；信号类型是实数，所以要用MD200来存放；RET_VAL-FC105功能块的故障字，可存放在一个字里面。如：MW50；2.5.3S7-300的PID模块FB41PID模块是进行模拟量控制的模块，可以完成恒压、恒温等控制功能在中，打开Libraries\standardlibrary\PIDControlblock\FB41,将其调入OB1中，首先分配背景数据块DB41，再给各个管脚输入地址；如下图2.6：图2.6FB41模块图2.6变频器的介绍2.6.1选择变频器规格变频器产品说明书都提供了标称功率数据，但实际上限制变频器使用功率的是定子电流参数，因此，直接按照变频器标称功率进行选择，在实践中可能会行不通。根据具体工程情况，可以有几种不同的变频器规格选择方式。1.按照标称功率选择一般而言，按照标称功率选择只适合作为初步投资估算依据，在不清楚电动机额定电流时使用，比如电动机型号还没有最后确定的情况。作为估算依据，在一般恒转矩负载应用时可以放大一级估算，例如，90KW电动机可以选择110KW变频器。在需要按照过载能力选择是，可以放大一倍来估算，例如，90KW电动机可以选择185KW变频器。2.按照电动机额定电流选择对于多数的恒转矩负载新设计项目，可以按照这个方式选择变频器规格：Ievf≥K1Ied(3-1)式中，Ievf是变频器额定电流；Ied是电动机额定电流；K1是电流裕量系数，根据应用情况一般可取为1.05～1.15，一般情况可取小值，在电动机持续负载率超过80%时，则应该取大值，因为多数变频器的额定电流都是以持续负载率不超过80%来确定的。另外，启动停止频繁的时候也应该考虑取大值，这是因为启动过程以及有制动电路的停止过程电流会短时超过额定电流，频繁启动停止则相当于增加了负载率。3.按照电动机实际运行电流选择这个方式用于改造工程，对于原来电动机已经处于大马拉小车的情况，可以选择功率比较合适的变频器以节省投资：Ievf≥K2Id(3-2)式中，K2是电流裕量系数，考虑到测量误差，可取K2=1.1～1.2，在频繁启动停止时应该取大值；Id是电动机实测运行电流，指的是稳态运行电流，不包括启动、停止和负载突变的动态电流，实测时应该针对不同工况作多次测量，取其中最大值。4.按照转矩过载能力选择变频器的电流过载能力通常比电动机的转矩过载能力低，因此，按照常规配备变频器时电动机转矩过载能力不能充分发挥作用。由于变频器能够控制在稳定转矩下持续加速直到全速运行，因此，平均加速度并不低于直接启动的情况，一般应用中没有什么问题。通过上述论述和系统要求，决定选用康沃公司的P11S系列变频器。P11S系列是风机泵用标准系列，采用高性能和多功能的理想结合动态转矩矢量控制，能在各种运行条件下实现对电动机的最佳控制。动态转矩矢量控制是一种先进的驱动控制技术[10]。2.6.2开关指令信号的输入变频器的输入信号中包括对运行、停止，正转、反转、微动等运行状态进行操作的开关型指令信号(数字输入信号)。变频器通常利用继电器接点或具有继电器接点开关特性的元器件(如晶体管)与PLC连接，获取运行状态指令。使用继电器接点时，常因接触不良而带来误动作;使用晶体管进行连接时，则需要考虑晶体管本身的电压、电流容量等因素，保证系统的可靠性。在考虑变频器的输入信号电路时还应该注意到，当输入信号电路连接不当时有时会造成变频器的误动作。如当输入信号电路采用继电器等感性负载，继电器开闭时产生的浪涌电流带来的噪声有可能引起变频器的误动作，应该尽量避免，这时可以考虑采用阻容振荡吸收，光电隔离的方式。2.6.3变频器与PLC的连接图2.7系统实物连接图变频器与PLC的连接如附录A所示，其中变频器各端子功能如下：R,S,T端子为主电路的电源输入端子，连接三相电源，不需考虑连接相序；U,S,W端子为变频器输出连接端子，连接三相电机水泵，如电机转动方向不对，则可交换其中的任意两相；G端子为接地端子；端子11为模拟输入信号的公共端子；端子12为设定电压输入端，输入PID控制的反馈信号，以此来设定频率；FWD端子为正转运行/停止命令端子，端子FWD-CM间：闭合（ON），正转运行；断开（OFF），减速停止，此端子有PLC输出点控制；接点输入公共端CM为接点输入信号的公共端子；X1为选择输入1端子，作为报警复位命令信号端子；Y1、Y2为晶体管输出1端子与晶体管输出2端子，为水位上限与下限报警端子；晶体管输出公共端CME，为晶体管输出信号的公共端子，端子CM和11在变频器内部相互绝缘；可选信号输出继电器端子Y5A,Y5C,为变频器报警输出端子。2.7传感器在工程上，所谓压力，是指一定介质垂直作用于单位面积上的力。压力测量有很多方法，有利用液体在重力作用下液位发生改变与被测压力平衡的液柱测压法，有根据弹性原件受力变形的测压法，也有将被测压力转换成各种电量的电测法等。在压力测量中，常有绝对压力、表压力、负压力或真空度之分。绝对压力是指被测介质作用在单位面积上的全部压力，用PA表示。用来测量绝对压力的仪表称为绝对压力表。地面上的空气柱所产生的平均压力称为大气压力，用P0表示。用来测量大气压力的仪表叫气压表。绝对压力与大气压力之差称为表压力，用PI表示。即PI=PA-P0（3-3）由于工程上需测量的往往是物体超出大气压力之外所受的压力，因而所使用的压力仪表测量的值称为表压力。显然当绝对压力值PA小于大气压力值P0时，表压力为负值，所测值称为负压力或称真空压，它的绝对值称为真空度。压力在国际单位制中的单位是牛顿/平方米，通常称为帕斯卡或简称帕(Pa)，工业上常采用千帕(kPa)或兆帕(MPa)作为压力的单位。设计中需要测量管道出口处的压力值，故采用远传压力表。可就地显示压力值，还可以将信号送到控制器。青岛奥斯特技术开发有限公司的HR-YTZ电阻远传压力表，如图2.8所示。HR-YZ表示压力真空表；HR-Z表示真空表；HR-Y表示一般压力表；HR-YB表示精密压力表。图2.8远传压力表用途说明：电阻远传压力表适用于测量对铜及铜合金不起腐蚀作用的液体、蒸汽和气体等介质的压力。因为在仪表内部设置一滑线电阻式发送器，故可把被测值以电量值传至远离点的二次仪表上，以实现集中检测和远距控制。此外，本仪表并能就地指示压力，以便于现场工艺检查。主要技术要求：精确度等级：1.6发送器起始电阻值：3～20Ω发送器满度电阻值：340～400Ω2.8系统设计2.8.1系统控制电路的设计结合实际情况，本设计的恒压供水系统的控制电路如图2.9所示。系统共有三台电机，分别为Ml、M2、M3。其中Ml、M2均可以在工频或变频两种方式下运行，而M3只能工频运行。每台电机都通过两个接触器与工频电源和变频器输出电源相联，变频器输入电源前面接入一个自动空气开关，来实现电机、变频器的过流过载保护。空气开关的容量依据大电机的额定电流来确定。对于有变频/工频两种工作状态的电动机Ml、M2，还需要在工频电源下面接入两个同样的自动空气开关，来实现电机的过流过载保护，空气开关的容量依据电机的额定电流来确定。接触器KM1、KM3、KM5分别控制M1、M2、M3的工频运行，KM2、KM4控制M1、M2的变频运行。所有接触器的选择都要依据电动机的容量适当选择。FR1、FR2、FR3为三台水泵电机过载保护用的热继电器，QS1、QS2分别为变频器和水泵电机的主电路隔离开关，FU为主电路的熔断器，是作为主电路短路保护用的。VVVF为通用变频器。图2.9供水系统控制电路图变频器主电路电源输入端子(R、S、T)经过空气开关与三相电源连接，变频器主电路输出端子(U、V、W)经接触器接至三相电动机上，当旋转方向预设定不一致时，需要调换输出端子(U、V、W)的任意两相。特别是对于有变频/工频两种状态的电动机，一定要保证在工频电源拖动和变频输出电源拖动两种情况下电机旋向的一致性，否则在变频/工频的切换过程中会产生很大的转换电流，致使转换无法成功。在变频器起动、运行和停止操作中，必须用触摸面板的运行和停止键或者是外控端FWD(REV)来操作，不得以主电路的通断来进行。2.8.2控制电路设计图2.10为本系统的控制电路图。控制电路中有独立的自动控制部分和手动控制部分，具有方便的手动和自动切换功能，由控制电路中的转换开关SA来实现。SB1、SB3、SB5分别为1号泵电机、2号泵电机、3号泵电机的启动按钮。SB2、SB4、SB6分别为1、2、3号泵电机的停止按钮。HL1、HL3、HL5分别为三个泵的工频运行指示灯，HL2、HL4为1，2号泵电机的变频运行指示灯，HL6、HL7分别为水位下限和变频器故障报警指示灯，HA为故障电铃。图2.10控制系统电路图其控制线路工作过程如下：A．手动控制。万能转换开关处于手动位置时，启动电机，合上电源开关Q1、Q2，按下启动按钮SB1，接触器KM1的线圈得电，接触器KM1的主触电立即闭合，电动机M1接通电源开始全压启动，同时KM1的辅助常开触电也闭合，使KM1吸引线圈经两条路通电。这样，当松手SB1复位跳开时，KM1由于自锁正常运行。要使电动机M1停止运转，只要按一下停止按钮SB2即可。按下SB2，线圈KM1断电释放，则KM1的主触点断开电源，同时辅助常开触电也断开，控制回路解除自锁，电动机M1自停车到转速为零。电动机M2、M3同理。在手动方式下，水泵只能工频运行，无法变频运行。B．自动控制。万能转换开关处于自动位置时，接触器的通断由PLC程序控制，变频器启动，合上电源开关Q1、Q2，启动PLC，开始运行程序，当Q0.0有输出时，KM1的线圈得电，KM1的主触电闭合，水泵1开始工频运行；当Q0.1有输出时，KM2的线圈得电，KM2的主触电闭合，水泵1开始变频运行。其他水泵的动作同理。2.9程序设计2.9.1控制系统主程序设计PLC主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动、停止程序、水泵电机换机程序、模拟量(压力、频率)比较计算程序和报警程序等构成。程序流程图如图2.11所示。图2.11主程序流程图1.系统初始化程序在系统开始工作的时候，先要对整个系统进行初始化，即在开始启动的时候，先对系统的各个部分的当前工作状态进行检测，如出错则报警，接着对模拟量(管网压力、电机频率)数据处理的数据表进行初始化处理，赋予一定的初值。2.水泵电机切换程序水泵电机切换是根据不同时段管网压力大小和压力设定值的比较结果来进行切换机的。在变频调速恒压供水系统中，系统在一个工作周期内有四个工作状态，即1号电机变频运行；1号电机工频运行，2号电机变频运行（三号电机工频运行）；2号电机变频运行；1号电机变频运行，2号电机变频运行（三号电机工频运行）。一般情况下，水泵电机都处于这四种工作状态之中，当管网压力发生变化时，四种工作状态之间就要发生相应转换，因此这四种工作状态也对应着四个切换过程。在水泵电机换机程序设计中，必须认真考虑这几个切换过程，才能保证系统在一个工作周期内实现正常切换与运行。由于电机切换涉及到不同时段管网压力大小和设定值的比较计算；电机反馈频率的大小比较计算，因此在切换程序设计中还应包含模拟量(压力、频率)比较计算和逻辑运算程序设计；同时要考虑电机根据“先起先停”的原则，使各泵平均运行以避免一台泵长期工作，所以切换是根据电机运行时间的长短来自动完成不同电机间的切换；泵在启动时有软启动功能，即在启动前变频器频率要复位。3.报警程序报警程序是依据电动机的热继电器动作进行设计的，当电动机过热时，热继电器常开触点闭合，作为PLC的输入条件。对于电动机的热继电器输入，报警指示输出既需要三个端口显示哪一台电机故障，也需要一个输出端子进行蜂鸣器报警输出。可以根据实际情况增加相应的报警功能。2.9.2水泵电机切换程序在系统工作流程中，我们知道当一台调速水泵己运行在上限频率，此时管网的实际压力仍低于设定压力，此时需要增加水泵来满足供水要求，达到恒压的目的；当调速水泵和工频运行水泵都在运行且调速水泵己运行在下限频率，此时管网的实际压力仍高于设定压力，此时需要减少工频运行水泵来减少供水流量，达到恒压的目的。那么何时进行切换，才能使系统提供稳定可靠的供水压力，同时使机组不过于频繁的切换呢？在恒压供水系统中，变频器频率调节的范围是有限的，不可能无限地增大和减小。当正在变频状态下运行的水泵电机要切换到工频状态下运行时，只能在50HZ时进行。由于电网的限制以及变频器和电机工作频率的限制，50HZ成为频率调节的上限频率。当变频器的输出频率已经到达50HZ时，即使实际供水压力仍然低于设定压力，也不能够再增加变频器的输出频率了。要增加实际供水压力，正如前面所讲的那样，只能够通过水泵机组切换，增加运行机组数量来实现。另外，变频器的输出频率不能够为负值，最低只能是0HZ。其实，在实际应用中，变频器的输出频率是不可能降低到0HZ的，因为当水泵机组运行，电机带动水泵向管网供水时，由于管网中的水压会反推水泵，给带动水泵运行的电机一个反向的力矩，同时这个水压也在一定程度上阻止源水池中的水进入管网，因此，当电机运行频率下降到一个值时，水泵就己经抽不出水了，实际的供水压力也不会随着电机频率的下降而下降。这个频率在实际应用中就是电机运行的下限频率。这个频率远大于0HZ,具体数值与水泵特性及系统所使用的场所有关，一般在20HZ左右。由于在变频运行状态下，水泵机组中电机的运行频率由变频器的输出频率决定，这个下限频率也就成为变频器频率调节的下限频率。但是，可能出现一种情况，就是：实际供水压力在设定压力上下波动。假设输出频率达到上限频率时，实际供水压力在设定压力上下波动，在这种情况下，如果增加一台水泵，很可能由于新增加的这台水泵，供水压力一下就超过了设定压力，并且新增加的水泵几乎在变频器输出频率的下限运行，对供水作用很小。在极端情况下运行机组增加后，实际供水压力超过设定压力，而新增加的水泵在变频器的下限频率运行，此时又满足了机组切换的停机条件，需停止一台水泵。可以看出，如果用水状况不变，水泵机组将一直这样投入—切出—再投入—再切出地循环下去，这增加了机组切换的次数，使系统一直处于不稳定的状态之中。同时，再切换过程和变频器从启动到稳定的过程中，系统的供水情况使不稳定的，实际供水压力也会再很大的压力范围内震荡。这样的工作系统既无法提供可靠的供水压力，也使得机组由于相互切换频繁而增大磨损，减少运行寿命。所以，应当再确实需要机组进行切换的时候再切换。为此，可以增加一个延时条件。所谓的延时条件，是指系统仅满足频率和压力的条件就进行机组切换使不够的，如果真的要进行机组切换，切换所要求的频率和压力的判别条件必须成立且能够维持一段时间，本系统为30S，如果在这段延时的时间内切换条件仍然成立，则进行实际的机组切换操作；如果切换条件不能维持延时时间的要求，说明判别条件的满足只是暂时的，如果进行机组切换将可能引起一系列多余的切换操作，则不进行切换。水泵电机切换程序流程如图2.12所示。图2.12水泵电机切换流程图2.9.3西门子S7300系列PLC通信程序设计通讯原理：S7300系列PLC带有RS485通讯口，上位机的串行口是RS232，所以采用西门子公司专用的PC/PPI编程电缆作为上下位机的连接电缆，它实现了RS232和RS485的转换，并且具有隔离抗干扰功能。S7300系列PLC自带的通讯口RS485采用半双工通讯，只需用两根数据线TXD和RXD来发送数据和接收数据，所以通讯中没有硬件握手信号，而只能采用软件握手的通讯方式保持数据传输的同步。为了保证通讯的安全性，必须对发送的数据帧中加入帧校验码（FCS），采取的方法是：把所发送的数据帧中的数据按照字节进行异或运算后得到的FCS连同数据一起发送。接收方收到后，进行同样的运算，并把结果与FCS比较，如果两者不相等，则认为传输数据出错。对于检验到出错的数据采取放弃的措施，并立即发送反馈信号要求发送方重发数据。控制命令如请求、应答等信号另有则不必加上校验码。s7-200系列PLC有4种通信模式：①点对点(PPI)通信模式；②完全开放的自由口通信模式；③MPI通信模式；④PROFIBUS通信模式。PPI模式用于PLC间直接连接的通信，MPI通信方式适宜于组成网络，而PROFIBUS的优势在于通信的速率较快，最高能达到12Mbps。基于本系统只有1台PLC与PC机通信的特点，本系统的主要指标是通信稳定性而非通信的速率，9600bps的通信速率就能满足要求鉴于种种分析，本系统采用自由口通信模式。CPU31X自带的通信口RS485采用半双工通信，只需用两根数据线TXD和RXD来发送数据和接收数据，通信中没有硬件握手信号，而采用软件握手的通信方式保持数据传输的同步。为了保证通信的安全性，必须在发送的数据帧中加入帧校验码(FCS)。控制流程:整个通讯由上位机触发开始，首先由上位机发送握手信号，PLC接收到握手信号后，发送回握信号；上位机收到回握信号，则开始发送请求指令，PLC收到指令后发送数据给上位机；上位机收到数据进行校验，出错则要求PLC重发，没有错误则处理输出显示。上位机和PLC的通讯程序流程图如图2.13所示。图2.13通信流程图2.9.4量程转换程序设计本设计用来进行量程转换的是FC105模块与FC106模块，在主程序中调用，程序如下图2.14图2.142.10PID设计2.10.1PID控制PID控制方式是现代工业控制中应用的最广泛的反馈控制方式之一。它的原理如图2.15所示。图2.15PID控制原理图PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值y(t)构成的控制偏差[12]e(t)=y(t)一r(t)（4-1）将偏差e(t)的比例、积分和微分通过线性组合构成控制器，对被控对象进行控制，故称PID控制器。PID控制器各个部分的作用及其在控制中的调节规律如下：1、比例增益部分(P)用于保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的分量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统偏差，系统偏差随比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。2、积分部分(I)表明控制器的输出不仅与输入控制的系统偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，即与偏差对时间的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对被控对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分作用主要是用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间常数。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化做出快速反应。3、微分部分(D)可以对输入的变化趋势做出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。它是用来控制被调量的振荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。PID的三种作用是各自独立的，互不影响的。改变一个调节参数，只影响一种调节作用，不会影响其他的调节作用。显然，对于大多数系统来说，单独使用上面任意一种控制规律都难以获得良好的控制性能。如果能将它们的作用作适当的配合，可以使调节器快速、平稳、准确的运行，从而获得满意的控制效果。一般来说，系统是使用它们的组合，如PI控制算法，PD控制算法和PID控制算法。2.10.2恒压供水PID调节过程分析恒压供水的目的就使要保证供水能力QG适应用水需求QU变化。当供水能力和用水需求之间不能平衡时，必然引起压力的变化。因此，可根据压力的变化，来实现对供水流量的调节，维持供水能力和用水需求之间的平衡。在供水系统中，变频器、PID控制器、压力变送器、水泵等构成了一个闭环控制系统，可以对供水能力实现有效的自动调节，从而实现恒压供水。其实现方法是，首先根据用户对水压的要求，给PID控制器预置一个目标压力值，管道中的实际水压，经压力变送器转换成4—20mA的模拟电流信号反馈给PLC内置的PID控制器，PID控制器根据目标压力值和实际压力值的偏差，给出调节量，自动调节变频器输出频率，调节电机转速，使供水量适应用水量的变化，取得动态平衡，维持水压不变。其具体调节过程如下：1）稳态运行：当供水能力等于用水需求，目标压力信号r和压力反馈信号y相当，偏差e=y-r=0，PID输出的控制增量Δu=0，变频器输出频率不变，水泵转速不变，处于稳态运行。2）用水量增加时：当用水量增加时，用水需求大于供水能力，水压下降，压力反馈信号y减小，偏差e=y-r<0，PID输出的控制增量Δu>0，变频器输出频率上升，水泵转速升高，增加供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。3）当用水量减小时：当用水量减小时，用水需求小于供水能力，水压上升，压力反馈信号y增大，偏差e=y-r>0，PID输出的控制增量Δu<0，变频器输出频率下降，水泵转速降低，减弱供水能力，最后达到一个新的平衡状态，使压力回复，维持供需平衡。2.10.3PID控制器的应用通过控制对象的传感器等检测控制量(反馈量)，将其与目标值(温度、流量、压力等设定值)进行比较。若有偏差，则通过此功能的控制动作使偏差为零。也就是使反馈量与目标值相一致的一种通用控制方式。它比较适用于流量控制、压力控制、温度控制等过程量的控制。在恒压供水中常见的PID控制器的控制形式主要有两种：1、硬件型，即通用PID控制器，在使用时只需要进行线路的连接和P、I、D参数及目标值的设定。2、软件型，使用离散形式的PID控制算法在可编程序控制器(或单片机)上做PID控制器。本设计中选用连续PID控制器FB41，压力设定值与反馈值进行运